一种外加电场的激光－电弧复合焊接方法技术

本发明专利技术属于材料加工技术领域，涉及一种激光－电弧复合焊接方法。是在距离被焊接工件表面４～１００ｍｍ高距离处、垂直激光束方向设有外加电极，外加电极中心开孔，用于通过激光束，外加电极与被焊接工件分别与一个输出电压为１～２２０Ｖ的直流稳压电源的两端相连接，电场强度为１～２２０Ｖ／ｃｍ。当激光功率为３００Ｗ～５００Ｗ、电弧电流为１００Ａ～３００Ａ、电弧电压为２０Ｖ～３５Ｖ时，外加电场强度的最佳范围为３０Ｖ／ｃｍ～６０Ｖ／ｃｍ。本发明专利技术能够充分利用激光与电弧的能量，可实现在较低激光输出功率条件下获得更大的复合热源焊接熔深，与相同工艺条件下的已有激光－电弧复合焊接法相比，增加熔深１５％～４０％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料加工
，涉及一种焊接方法，特别是激光-电弧复合焊接方法。
技术介绍
现有研究表明，在大功率激光焊接过程中，所产生的光致等离子体对激光有屏蔽 效应，会影响焊接效果，《材料导报》2009年第5期的文章"电磁场辅助激光焊接的研究现 状"指出，通过在激光喷嘴和工件之间外加电场、磁场，能够使等离子体中的带电粒子在电 场力或洛伦兹力的作用下发生运动，其密度和分布以及等离子体的形状和位置均会发生改 变，从而降低光致等离子体对激光的屏蔽效应，提高激光能量利用率，从而提高激光焊接效 率和焊接过程稳定性。 国内外研究表明，激光与电弧两种焊接热源的有机复合，能够显著提高焊接效率 和焊接质量，克服单一焊接技术存在的不足。目前已相继开发出了激光与非熔化极惰性气 体保护电弧(TIG)复合焊接、激光与熔化极气体电弧(MIG/MAG)复合焊接以及激光与等离 子弧(Plasma)复合焊接等系列焊接工艺。这类焊接方法中，当激光与电弧同时作用在焊 接工件同侧的相同位置时，在激光作用产生的光致等离子体中，包含大量比焊接保护气体 (氩气、氦气、二氧化碳等)具有更低电离能的金属蒸汽，会降低维持焊接电弧稳定燃烧所 需要的电场强度。 因此，在激光-电弧复合焊接中，光致等离子体对电弧的作用，会降低电弧的电场 强度，影响焊接效果，现有技术尚未提出有效的解决办法。
技术实现思路
本专利技术的目的，是解决激光-电弧复合焊接过程中电弧电场强度降低的问题，提 供一种外加电场的激光_电弧复合焊接方法，通过外加电场迭加电弧电场，在普通激光_电 弧复合焊接基础上，获得更大的熔深，提高焊接效率。 本专利技术是通过以下技术方案实现的一种外加电场的激光_电弧复合焊接方法， 激光与电弧同轴排列或旁轴排列，其特征在于，在距离被焊接工件表面4 100mm处、垂直 激光束方向设有片状的或片状且具有循环水冷结构的外加电极，外加电极中心开孔，用于 通过激光束，外加电极与被焊接工件分别与一个输出电压为1 220V的直流稳压电源的两 端相连接，外加电极与被焊接工件之间的电场强度为1 220V/cm。 在外加电极与焊接工件之间形成的外加电场，与焊接电弧的电场迭加，不仅能消 除光致等离子体对电弧电场强度的不利影响，而且能进一步增强焊接电弧空间的电场强 度，提高了焊接过程中电弧的稳定性，增加了电弧空间中带电粒子的动能，从而增加了复合 焊接的熔深。 用本方法焊接时，根据待焊接工件的形状及材料，按照已有的激光_电弧复合焊 接工艺要求确定激光和电弧类型及参数。已有激光_电弧复合焊接的激光类型主要包括C02气体激光束、YAG固体激光束或二极管激光束，采用连续或者脉冲输出模式；电弧类型主 要包括TIG电弧、MIG电弧、MAG电弧或等离子弧，可采用直流或者直流脉冲模式；激光和电 弧的参数范围可以为激光束平均输出功率100W 5000W、脉冲频率0-200Hz，电弧平均输 出电流20A 600A、电弧平均输出电压10 60V、脉冲频率0 500Hz ;激光作用点与电弧 熔池中心之间的间距为0 4mm。 使用本专利技术的方法，当激光功率为300W 500W、电弧电流为100A 300A、电弧电压为20V 35V时，外加电场强度的最佳范围为30V/cm 60V/cm。为方便焊接不同工件时调整外加电场强度，直流稳压电源可以为输出电压在1 220V的连续可调式。 为使激光束无阻碍地到达被焊接工件表面，外加电极中心的孔的直径应略大于激光束通过该孔时所需的空间范围尺寸，其直径可以为6 50mm，以使激光束恰好通过为宜。孔的大小与外加电极的位置有关，激光束从激光枪发出到工件表面，是一个被聚焦的过程，与工件距离越远，激光束就越粗，该位置上的外加电极中心孔的直径就相对较大。外加电极可以是直径或边长为10 100mm的圆形或正方形。外加电极与被焊接工件保持一定距离，能够避免被电弧熔化；外加电极采用循环水冷结构，可以进一步避免受电弧的高温影响。外加电极可采用紫铜或铜合金制的循环水冷结构，冷却水通道的内径可以为2 10mm，冷却水流量可以为5 20L/min。 外加电极可以固定在独立的支架上，也可以通过连杆固定在激光枪体上，连杆的 一端与电极连接，另一端与安装在激光枪体上的固定支座相连接。当采用固定激光枪和电 弧电极、移动被焊接工件的方式焊接时，外加电极可以固定在独立的支架上；当采用固定被 焊接工件、移动激光枪和电弧电极的方式焊接时，最好将外加电极通过连杆固定在激光枪 体上。 本专利技术用外加电场迭加焊接电弧电场，增强焊接电弧空间电场强度，能促进电弧 空间气氛的电离，提高焊接过程的电弧稳定性，显著提高焊接速度；外加电场增加了焊接电 弧空间中带电粒子的动能，有利于带电粒子将更多的热量传递给焊接工件或者焊接熔池， 提高焊接工件材料的温度，从而提高材料对激光的吸收率，可实现在激光输出功率较低的 条件下获得更大的复合热源焊接熔深，增加熔深15% 40%。本专利技术充分利用了激光与电 弧的能量，与已有激光_电弧复合焊接技术相比具有较大的优势，适用于工业应用。附图说明 图1为一种外加电场的激光_电弧旁轴复合焊接装置示意图。 图中1为被焊接工件，2为电弧电极，3为外加电极，4为固定支座，5、6为紧固螺钉，7为激光枪体，8为激光束，9为导电连杆，10为直流稳压电源，11为导线，12为透镜，H为外加电极与被焊接工件之间的距离，h为外加电极厚度，R为电极半径，r为电极中心圆孔半径。 外加电极3为循环水冷式，激光束8通过透镜12汇聚在被焊接工件1上。 图2为一种外加电场的激光_电弧同轴复合焊接装置示意图。 图中13为反射聚焦镜，多束激光8通过反射聚焦镜13汇聚在被焊接工件1上。具体实施例方式实施例l，外加电场的激光-电弧旁轴复合焊接方法焊接1. 8mm厚Q235B低碳钢。 焊接装置和外加电极的安装如图1所示，激光8与电弧电极2旁轴排列，外加电极 3为冷却水通道内径为4mm的铜合金制循环水冷结构，厚度h为6mm，电极半径R为15mrn，电 极中心开孔半径r为5mm。冷却水流量为10L/min。 导电连杆9 一端与外加电极3固定，另一端用紧固螺钉6安装在固定支座4上，用 紧固螺钉5将固定支座4安装在激光枪体7上，外加电极3与被焊接工件1之间的高度距 离H为20mm，孔的中心在激光束轴线上。直流稳压电源10通过导线11、导电连杆9，使外加 电极3与被焊接工件1连接形成外加电场。外加电极与电弧电极的极性一致。 采用脉冲YAG激光-直流脉冲MAG电弧旁轴复合焊接，激光输出平均功率为 2000W，电弧焊接电流为180A，电弧电压为30V，焊接速度为1000mm/min，直流稳压电源10输 出电压为60V。 与相同焊接参数条件下无外加电场的普通脉冲YAG激光-直流脉冲MAG电弧旁轴 复合焊接相比，焊接熔深由1. 5mm提高到1. 8mm。 实施例2，外加电场的激光-电弧同轴复合焊接方法焊接3. 5mm厚AZ31B镁合金。 焊接装置和外加电极的安装如图2所示，紫铜制外加电极3与被焊接工件1之间的高度距离H为50mrn，厚度h为8mm，电极半径R为40mrn，中心孔半径r为16mrn，多束激光8通过反射聚焦镜13汇聚在工件1上。外加电极3的安装同实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外加电场的激光－电弧复合焊接方法，激光与电弧同轴排列或旁轴排列，其特征在于，在距离被焊接工件表面４～１００ｍｍ处、垂直激光束方向设有片状的或片状且具有循环水冷结构的外加电极，外加电极中心开孔，用于通过激光束，外加电极与被焊接工件分别与一个输出电压为１～２２０Ｖ的直流稳压电源的两端相连接，外加电极与被焊接工件之间的电场强度为１～２２０Ｖ／ｃｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘黎明，张兆栋，宋刚，黄瑞生，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]